KR20120117207A - 자동 빔 집속 장치 및 이를 이용한 비파괴 검사 방법 - Google Patents

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Abstract

피검사물에 밀착되도록 형상이 가변되며 복수의 초음파 센서가 배열된 어레이 트랜스듀서; 상기 피검사물 또는 상기 어레이 트랜스듀서에 관한 사전 정보를 모르는 상태에서, 상기 피검사물에 대한 상기 초음파의 전파 시간을 토대로 상기 피검사물의 결함을 검출하는 제어부; 를 포함하는 자동 빔 집속 장치 및 이를 이용한 비파괴 검사 방법이 기재된다.

Description

자동 빔 집속 장치 및 이를 이용한 비파괴 검사 방법{AUTO BEAM FOCUSING DEVICE AND NONDESTRUCTIVE EVALUATION METHOD USING THE SAME}
본 발명은 초음파를 이용하여 재료의 결함을 검사할 때 초음파 빔을 자동 집속하는 자동 빔 집속 장치 및 이를 이용한 비파괴 검사 방법에 관한 것이다.
비파괴 검사 기법 중에서 산업 설비의 결함을 검출하고 신뢰성을 평가하기 위한 대표적인 기법이 초음파 탐상 시험이다. 일반적인 초음파 탐상 시험에서는 피검사물이 결정되면 초음파의 종파(P파 : longitudinal wave) 속도, 횡파(S파 : transverse wave) 속도, 표면파 속도가 결정되고, 수신된 초음파인 에코(echo) 신호의 도달 시간으로부터 결함의 위치를 결정하고 수신된 초음파의 진폭으로부터 결함의 크기를 결정한다.
그러나, 일반적인 초음파 탐상 시험은 원거리에 위치한 결함 검사가 곤란하므로 검사 범위가 한정적이고, 초음파 트랜스듀서(transducer)가 부착되는 피검사물의 표면이 곡면인 경우 표면 지오메트리(surface geometry)에 따라 검사 결과가 달라진다.
또한, 에코 신호의 도달 시간으로부터 결함의 위치를 결정하기 위해서는 특정 매질에 대한 초음파의 전파 속도를 알아야 하고, 매질에서의 초음파 전파 속도는 등방성 매질, 이방성 매질, 불균질 매질 등 매질의 재료 특성에 따라 달라지며, 복수의 탐촉자가 배열된 어레이 센서의 간격이나 크기(dimension)를 미리 알고 있어야 하는 등의 검사상 제약이 많았다.
본 발명은 이러한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 피검사물의 표면 지오메트리에 영향을 받지 않고, 초음파 빔을 결함에 집속시키고 신호대 잡음비(S-N ratio)를 향상시켜 고해상도 및 고정확도의 결함 영상을 얻을 수 있고, 피검사물의 형상이나 물성 특성에 상관없이 정확한 검사 결과를 얻을 수 있는 자동 빔 집속 장치 및 이를 이용한 비파괴 검사 방법을 제공하기 위한 것이다.
일 실시예로서, 본 발명의 자동 빔 집속 장치는 피검사물에 밀착되도록 형상이 가변되며 복수의 초음파 센서가 배열된 어레이 트랜스듀서; 상기 피검사물의 표면 지오메트리, 상기 피검사물에서의 초음파 속도, 음압에 따른 초음파의 속도 변화, 상기 피검사물의 재료 특성, 상기 어레이 트랜스듀서에 배열된 상기 초음파 센서의 크기, 상기 어레이 트랜스듀서에 배열된 상기 초음파 센서의 배열 간격 중 적어도 하나를 포함하는 사전 정보를 모르는 상태에서, 상기 피검사물에 대한 상기 초음파의 전파 시간을 토대로 상기 피검사물의 결함을 검출하는 제어부; 를 포함한다.
일 실시예로서, 본 발명의 자동 빔 집속 장치에 따르면, N개의 초음파 센서가 배열된 형상 가변형 어레이 트랜스듀서가 피검사물의 평면 표면 또는 굴곡진 표면에 밀착되며, 상기 N개의 초음파 센서 중 적어도 하나의 초음파 센서로부터 상기 피검사물을 향하여 제1 신호가 방사되고, 상기 피검사물의 결함에서 반사되어 상기 각각의 초음파 센서로 입수되는 제2 신호가 수신되며, 복소 영역에서 상기 제2 신호와 180°의 위상차를 갖도록 시간 역전 처리된 제3 신호가 상기 각각의 초음파 센서로부터 상기 피검사물을 향하여 동시에 재방사되고, 상기 결함에서 재반사되어 상기 각각의 초음파 센서로 입수되는 제4 신호가 재수신되며, 주파수 영역의 상기 제4 신호를 시간 영역 신호로 변환한 제5 신호로부터 상기 결함의 위치를 검출한다.
일 실시예로서, 본 발명의 비파괴 검사 방법은 N개의 초음파 센서가 배열된 형상 가변형 어레이 트랜스듀서를 피검사물의 평면 표면 또는 굴곡진 표면에 밀착시키고, 상기 N개의 초음파 센서 중 적어도 하나의 초음파 센서를 가진시켜 초음파를 상기 피검사물에 방출하는 제1 단계; 상기 피검사물의 결함에서 반사되는 산란파를 상기 N개의 초음파 센서에서 수신하는 제2 단계; 상기 N개의 초음파 센서에 입수된 파형을 각 초음파 센서별 시간 지연량 차이를 근거로 해서 시간 역전 처리하고, 상기 N개의 초음파 센서는 상기 시간 역전 처리된 새로운 파형을 동시에 방사하는 제3 단계; 상기 피검사물의 결함 또는 경계면에서 반사되어 상기 각각의 초음파 센서별로 입수되는 신호를 획득하는 제4 단계; 상기 제4 단계에서 획득된 주파수 영역 신호를 시간 영역 신호로 복원하는 제5 단계; 를 포함하고, 상기 제5 단계에서 입수된 상기 시간 영역 신호로부터 상기 결함의 위치를 검출한다.
일 실시예로서, 본 발명의 비파괴 검사 방법은 N개의 초음파 센서가 배열된 형상 가변형 어레이 트랜스듀서를 피검사물의 평면 표면 또는 굴곡진 표면에 밀착시키고, 상기 피검사물의 결함에서 반사되어 상기 초음파 센서로 입수되는 주파수 영역 신호 Hn 을 푸리에 역변환하여 얻은 시간 영역 신호 hn 을 구하며, 수평 좌표축을 시간값으로 놓고 수직 좌표축을 상기 초음파 센서에 입수된 신호의 진폭값으로 놓아 상기 hn 의 파형을 획득하고, 상기 hn 의 파형에서 상기 시간값을 픽셀 좌표값으로 표현하고 상기 진폭값을 콘트라스트로 표현하는 결함 영상을 획득하며, 상기 결함 영상에서 상기 콘트라스트가 주변보다 큰 픽셀 좌표값을 읽어 상기 결함의 위치를 검출한다.
종래의 위상 배열 초음파 빔 집속 기술은 피검사물 내부의 원하는 위치에 입사 빔의 집속과 조향이 가능하지만, 어레이 트랜스듀서나 피검사물에 대한 다양한 사전 정보를 필요로 한다. 더욱이, 피검사물의 물성을 균질하다고 가정해야 하며, 피검사물의 표면 형상이 불균일한 경우 펑면 형상의 배열 탐촉자는 아예 적용이 불가능한 문제점이 있었다.
표면 부착 용이성을 위하여 플렉시블한 배열 탐촉자가 사용될 수 있으나, 위상 배열법에 의한 빔 집속을 위해서는 피검사물 표면의 기하학적 형상에 대한 정확한 정보를 필요로 하며, 이를 위해 탐촉자의 지오메트리 데이터를 측정하는 프로파일러가 필요하며 가격이 고가인 문제점이 있다.
플렉시블한 배열 탐촉자의 빔 집속 기술은 피검사물 표면의 정확한 기하학적 형상 정보, 탐촉자의 사양(크기, 배열 간격)에 대한 정확한 정보, 피검사물의 물성 정보, 피검사물에 대한 균질 및 등방성의 가정을 필요로 하므로 정확한 빔 집속을 기대하기가 매우 어려운 실정이다.
본 발명은 피검사물 내부의 결함 또는 경계면에서 반사되어 돌아온 신호를 입수하고 이 신호를 시간 역전시켜 다시 방사하면, 어레이 트랜스듀서나 피검사물에 대한 사전 정보 없이도 피검사물 내부의 결함 위치에 빔을 집속할 수 있는 초음파 빔의 자동 집속 기술을 제시한다.
본 발명은 피검사물의 내부를 전파하여 되돌아온 신호를 이용하기 때문에 실제 피검사물의 기하학적 형상과 물성을 사전 정보 없이 정확하게 반영하며, 어레이 트랜스듀서에 대한 사전 정보가 전혀 필요 없다.
실제 검사시 상기 사전 정보들은 시간 역전 처리를 통하여 계산된 초음파 신호의 전파 시간(시간 지연량)에 이미 포함되어 있으므로, 상기 사전 정보를 전혀 몰라도 정확한 결함 영상을 얻을 수 있고, 획득된 결함 영상에서 결함 좌표를 읽으면 피검사물의 실제 결함 좌표와 높은 정확도로 일치한다.
따라서 표면 형상과 물성이 복잡한 피검사물에서의 정확한 빔 집속을 달성할 수 있고, 결함 검사 정확도를 획기적으로 개선할 수 있으며, 실제 현장에서의 적용성이 아주 우수할 것으로 예상된다.
도 1은 본 발명의 어레이 트랜스듀서가 채용된 자동 빔 집속 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 어레이 트랜스듀서를 도시한다.
도 4는 본 발명의 자동 빔 집속 장치를 이용한 시간 역전법을 설명하는 모식도이다.
도 5 내지 도 8은 본 발명에서 시간 역전법의 적용을 순차적으로 설명한다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 어레이 트랜스듀서가 장착되는 피검사물의 표면 지오메트리를 도시한다.
도 11 내지 도 20은 다양한 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
이하, 도 1 내지 도 10을 함께 참조하며 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 구성요소의 크기나 형상 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시될 수 있다. 또한 본 발명의 구성 및 작용을 고려하여 특별히 정의된 용어들은 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 한다.
도 1은 본 발명의 어레이 트랜스듀서가 채용된 자동 빔 집속 장치를 개략적으로 도시한 사시도이다. 도 2 및 도 3은 본 발명의 어레이 트랜스듀서를 도시한다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명의 자동 빔 집속 장치는 복수의 초음파 센서(110)가 배열된 어레이 트랜스듀서(100)와, 상기 어레이 트랜스듀서(100)에서 입출되는 신호를 처리하여 시간 역전 처리 및 빔 집속을 자동 수행하는 제어부(300)를 포함한다.
본 발명의 자동 빔 집속 장치는 스캐닝 유니트(200)를 더 포함할 수 있다. 스캐닝 유니트(200)는 어레이 트랜스듀서(100)를 피검사물(10)의 표면에 밀착시키고 검사 위치에 따라 어레이 트랜스듀서(100)를 이동시킨다.
스캐닝 유니트(200)는, 피검사물(10)의 표면에 대하여 어레이 트랜스듀서(100)를 탄력적으로 밀어서 접촉시키는 가압부(230), 검사 위치 변경시 가압부(230) 및 어레이 트랜스듀서(100)를 이동시키는 이동부(210), 어레이 트랜스듀서(100)를 파지하여 이동부(210)와 함께 이동시키는 파지부(220) 중 적어도 하나를 포함한다.
본 발명의 어레이 트랜스듀서(100)는 초음파 빔 포커싱(focusing) 및 초음파 빔 스티어링(steering)을 자동 제어할 수 있는 장점이 있다. 종래의 초음파 검사 기법에 비하여, 초음파 빔 집속(beam focusing) 기법은 초음파 빔을 결함(20)의 좁은 영역에 포커싱(focusing)하여 검사하는 것으로서, 결함(20)의 위치와 크기 검출시 신호대 잡음비를 좋게 하여 고해상도 및 고정확도의 결함 영상을 얻을 수 있게 한다.
일반적으로 초음파 빔을 지정된 각도 및 소정 거리에 있는 위치에 정확히 집속시키려면, 시간 지연량(time delay)이 계산되어야 하고, 피검사물(10) 표면 지오메트리, 음파의 전달에 관한 피검사물(10)의 매질 특성, 피검사물(10)에서의 음파 속도에 관한 사전 정보가 필요하며, 이는 검사 과정을 복잡하게 하며 검사 정확도를 떨어뜨리는 요인이 된다.
실제 검사시, 노즐, 엘보우, 용접부 등과 같이 평면이 아닌 표면 지오메트리를 많이 만나게 된다. 유연성이 없는 강체 상태의 어레이 센서를 채용하면 표면 지오메트리에 대한 밀착 접촉이 곤란하므로, 초음파 센서(110) 및 피검사물(10) 표면이 디커플링(decoupling)되고 빔 포커싱의 불량 및 결함 영상의 열화가 발생한다. 복잡한 표면 지오메트리에 대응하려면, 유연성이 없는 강체 상태인 어레이 트랜스듀서(100)는 밀착성이 떨어지므로, 본 발명은 표면 지오메트리가 변화되어도 유연하게 구부러지면서 피검사물(10)의 표면에 완전 밀착되도록 형상 가변형 어레이 트랜스듀서(100)를 채용한다.
형상 가변형 어레이 트랜스듀서(100)는 굴곡 표면에 정확하게 밀착되는 장점은 있지만, 빔 포커싱에 필요한 시간 지연량을 계산하기 위하여는 어레이 트랜스듀서(100)에 배열된 각 초음파 센서(110)의 위치 좌표를 미리 알고 있어야 하며, 피검사물(10)에 대한 사전 정보(prior knowledge)를 일일이 알고 있어야 하는 제한 요인이 발생한다. 이에 대한 극복 방안은 시간 역전 처리를 하는 것이며, 시간 역전법에 의하면 어레이 트랜스듀서(100)나 피검사물(10)에 대한 사전 정보(prior knowledge)를 몰라도 결함 위치를 검출할 수 있다.
본 발명은 형상 가변형 어레이 트랜스듀서(100)에 시간 역전법(time reversla technique)을 적용하며, 이에 따라 초음파 빔 집속시 어레이 트랜스듀서(100)나 피검사물(10)에 대한 사전 정보(prior knowledge)를 획득하지 않아도 정확하게 결함(20)을 검출하는 자동 빔 집속 장치 및 비파괴 검사 방법을 제시한다.
따라서, 표면 지오메트리에 영향을 받지 않고, 비등방성 매질이나 불균질 매질과 같이 매질의 특성에 영향받지 않으며, 음압에 따른 초음파의 속도 변화에 영향받지 않고, 초음파 센서(110)와 결함(20)의 거리가 멀어도 검사 정확도가 일정하며, 결함 위치에 정확하게 초음파 빔을 집속할 수 있으므로 높은 해상도의 결함 영상을 얻을 수 있다.
'사전 정보'라 함은, 피검사물(10)의 표면 지오메트리, 피검사물(10)의 특정 매질에 대한 초음파의 전파 속도, 피검사물(10)에서의 초음파 속도, 음압에 따른 초음파의 속도 변화, 등방성 매질, 이방성 매질, 불균질 매질 등 피검사물(10)의 재료 특성, 어레이 트랜스듀서(100)에 배열된 초음파 센서(110)의 크기, 어레이 트랜스듀서(100)에 배열된 초음파 센서(110)의 배열 간격 중 적어도 하나를 말한다.
예를 들어 티타늄 합금, 주물 재료, 혼성 재료 등과 같은 비등방성 피검사물(10)은 그 미세 조직의 특성상 결함(20)의 에코 신호에 비해 노이즈 신호의 음압이 강하게 나타나므로 초음파 빔 집속 기법의 효율이 낮아진다.
본 발명에 따르면, 어레이 트랜스듀서(100)나 피검사물(10)에 대한 사전 정보를 전혀 몰라도, 피검사물(10)의 내부를 전파하여 되돌아온 신호를 이용하기 때문에 피검사물(10)의 기하학적 형상과 물성에 관한 사전 정보가 상기 되돌아온 신호에 그대로 반영되어 있다. 즉, 어레이 트랜스듀서(100)나 피검사물(10)에 대한 사건 정보가 전혀 입력되지 않아도 초음파의 전파 시간은 해당 어레이 트랜스듀서(100)나 피검사물(10)에 대하여 불변인 특성에 기반을 두고 있다.
도 4는 본 발명의 자동 빔 집속 장치를 이용한 시간 역전법을 설명하는 모식도이다. 도 5 내지 도 8은 본 발명에서 시간 역전법의 적용을 순차적으로 설명한다.
도 4의 첫째 그림 및 도 5를 참조하면 어레이 트랜스듀서(100)에 마련되는 N개의 초음파 센서(110) 중에서 하나의 초음파 센서(110)를 가진시킨다. 가진된 입사파는 피검사물(10)에 전파된다.
도 4의 둘째 그림 및 도 6을 참조하면 피검사물(10)의 결함(20)에서 반사되는 산란 신호는 각 초음파 센서(110)에 수신된다. 피검사물(10)의 매질 특성, 피검사물(10)의 표면 지오메트리, 각 초음파 센서(110)로부터 결함(20)까지의 거리 차이는 각 초음파 센서별 에코 신호의 시간 지연량 차이나 각 초음파 센서(110)의 파형 차이로 반영되어 있다.
따라서, 본 발명의 자동 빔 집속 장치는 상기 시간 지연량 차이나 파형 차이만 계산하면 되고 상기 사전 정보는 전혀 알 필요가 없다.
결함(20)에서 초음파가 반사되며 결함(20)까지의 거리를 초음파의 속도로 나눈 것이 전파 시간이므로, 각 초음파 센서별 시간 지연량 차이나 파형 차이에는 피검사물(10)의 표면 지오메트리나 각 초음파 센서(110)로부터 결함(20)까지의 거리 차이 등의 정보가 포함되어 있다. 따라서, 초음파 센서(110)에서 방사 및 입수되는 신호로부터 시간 지연량을 계산하고 시간 역전 처리를 이용하면 표면 지오메트리나 매질 특성과 같은 사전 정보를 몰라도 결함 검출이 가능해진다.
도 4의 셋째 그림 및 도 7을 참조하면, 상기 사전 정보를 획득할 필요없이, 상기 N개의 초음파 센서(110)에 입수된 파형을 각 초음파 센서별 시간 지연량 차이를 근거로 해서 시간 역전 처리한다. 각 초음파 센서(110)는 시간 역전 처리된 새로운 파형을 피검사물(10)에 입사시킨다. 이때 초음파 빔은 결함 위치에 정확하게 집속된다.
도 4의 넷째 그림 및 도 8을 참조하면, 결함 위치에 집중된 초음파 빔은 각 초음파 센서(110)에 다시 입수된다. 입수된 파형은 신호 대 잡음비가 개선된 파형으로서, 결함 위치나 결함(20)의 크기에 대한 정확한 정보를 담고 있다. 즉, 시간 역전법에 의하여 산출된 시간 지연량을 반영하여 시간 역전 처리한 상태에서 각 초음파 센서(110)를 가진시키면, 가진된 초음파는 결함(20)에 집속하도록 전파된다. 결함(20)에 초음파가 집속되면 신호 대 잡음비를 증가시켜 깨끗한 결함 영상을 얻을 수 있다.
이와 같이 N개의 초음파 센서(110)가 에코 신호를 송수신하는 과정을, N번 반복한다. 수신된 에코 신호의 시간 지연량을 각 초음파 센서(110)에 적용하여 시간 역전된 상태에서 초음파 센서(110)를 가진시킨다. 이에 따라 원하는 목표 위치에 정확하게 초음파 빔이 집속되어 신호 대 잡음비가 증가된 깨끗한 결함 영상을 얻는다.
도 2 내지 도 10을 함께 참조하며 본 발명의 자동 빔 집속 장치 및 비파괴 검사 방법을 구체적으로 설명한다.
제어부(300)는 어레이 트랜스듀서(100)에서 입출되는 신호를 처리하고 이하에 설명하는 제1 단계 내지 제6 단계 중 적어도 하나를 수행하거나, 스캐닝 유니트(200)의 동작을 제어한다. 또한, 본 발명의 자동 빔 집속 장치를 이용한 비파괴 검사 방법은 이하에 설명하는 제1 단계 내지 제6 단계 중 적어도 하나를 포함한다.
제1 단계에 대하여 설명하면 다음과 같다.
제1 단계에서는 N개의 초음파 센서(110)가 배열된 형상 가변형 어레이 트랜스듀서(100)가 피검사물(10)의 평면 표면 또는 굴곡진 표면에 밀착되며, N개의 초음파 센서(110) 중 적어도 하나의 초음파 센서(110)로부터 피검사물(10)을 향하여 제1 신호가 방사된다.
도 5에 도시된 것과 같이 어레이 트랜스듀서(100)에 마련되는 N개의 초음파 센서(110) 중에서 하나의 초음파 센서(110)(m번째 초음파 센서(110))를 가진시켜 초음파를 피검사물(10)에 방출한다. 도 3을 참조하면, 초음파 센서(110)는 x축 방향으로 2a1의 길이를 갖고 y축 방향으로 2a2의 길이를 갖는 사각 평면 형상이다. 이러한 사전 정보는 본 발명에서 몰라도 된다. 초음파 센서(110)에서 방출되는 초음파는 평면 유사 파형 속도(quasi-plane wave velocity) V(rm,w)의 속도를 가지며, V(rm,w)은 하기 수학식 1로 표현된다.
Figure pat00001
여기서, 상기 rm은 도 5를 참조하면 N개의 초음파 센서(110) 중에서 하나의 초음파 센서(110)인 m번째 초음파 센서(110)로부터 결함(20)에 이르는 거리이고, 상기 c는 파형 속도이고, 상기 w는 원진동수(circular frequency)로서 V(rm,w) 및 C(rm, a1, a2, w)가 주파수 영역 신호임을 의미하고, 상기 k는 P-파형(P-wave)의 파형수(wave number)로서 k=w/c 인 관계식이 성립하고, 상기 B(w)는 초음파 센서(110)의 출력(output)이며, 상기 C(rm, a1, a2, w)는 회절 계수(diffraction coefficient)이다.
어레이 트랜스듀서(100)에 속한 각각의 초음파 센서(110)는 소정의 가로 길이 및 세로 길이를 갖는 사각 평면 형상이며, 사각 평면 형상의 초음파 센서(110)에서 방사되는 초음파의 속도는 평면파의 속도로 근사할 수 있고, 평면 유사 파형 속도 V(rm,w)은 초음파 센서(110) 및 결함(20) 사이의 거리에 따라 결정되는 주파수 영역 신호이다.
회절 계수 C(rm, a1, a2, w)는 초음파 센서(110)의 가로 및 세로를 포함한 초음파 센서(110)의 크기, 초음파 센서(110)로부터 결함(20)까지 거리에 따라 결정되는 주파수 영역 계수이다. 회절 계수는 평면파에 있어서 초음파 빔의 위상 및 진폭에 관한 모든 변동값을 표현하고, 각 초음파 센서(110)의 방향성을 반영한다.
사각 형상의 초음파 센서(110)에 대한 회절 계수는 멀티 가우시안 빔 모델로부터 얻어진다. 가우시안 빔 모델을 중첩하여 평면파에 근사시킨 멀티 가우시안 빔 모델은 평면파를 잘 모델링하기 때문이다.
제1 단계를 표현하는 수학식 1을 정리하면 다음과 같다. N개의 초음파 센서(110)가 배열된 어레이 트랜스듀서(100)의 m번째 초음파 센서(110)로부터 결함(20)을 향하여 방사된 초음파의 속도 V(rm,w)는, m번째 초음파 센서(110)의 출력 B(w) 및 회절 계수 C(rm, a1, a2, w)를 곱한 항을 진폭으로 하고, P-파형(P-wave)의 파형수(wave number) k에 m번째 초음파 센서(110)로부터 결함(20)에 이르는 거리 rm 을 곱한 항을 위상으로 하는 주파수 영역 신호이다.
도 5 및 수학식 1을 참조하며 제1 단계를 더 간단히 정리하면, m번째 초음파 센서(110)가 결함(20)을 향하여 1차로 방사한 초음파의 속도 V(rm,w)는, m번째 초음파 센서(110)의 출력 B(w)와 m번째 초음파 센서(110)의 방향성을 반영하는 회절 계수 C(rm, a1, a2, w)에 의하여 결정되며, 어레이 트랜스듀서(100)나 피검사물(10)의 사전 정보 rm, a1, a2, w, k 등을 이미 반영하고 있다.
제2 단계에 대하여 설명하면 다음과 같다.
제2 단계에서는 피검사물(10)의 결함(20)에서 반사되어 각각의 초음파 센서(110)로 입수되는 제2 신호가 수신된다.
도 6에 도시된 것과 같이 피검사물(10)의 결함(20)에서 반사되는 산란파(scattered wave)를 N개의 초음파 센서(110)가 배열된 어레이 트랜스듀서(100)에서 수신한다. 어레이 트랜스듀서(100)에 배열된 N개의 초음파 센서(110) 중에서 n번째 초음파 센서(110)가 수신한 초음파 속도 Vn(rn,w) 은 하기 수학식 2로 표현된다.
Figure pat00002
여기서, 상기 rn은 도 6을 참조하면 어레이 트랜스듀서(100)의 n번째 초음파 센서(110) 및 결함(20) 사이의 거리이고, 상기 k는 P-파형(P-wave)의 파형수(wave number)로서 k=w/c 인 관계식이 성립하며, 상기 c는 P-파형(P-wave)의 속도이고, 상기 w는 원진동수(circular frequency)이며, 상기 Cn(rn, a1, a2, w)는 n번째 초음파 센서(110)에 관한 회절 계수(diffraction coefficient)이다. n번째 초음파 센서(110)에 관한 회절 계수 Cn(rn, a1, a2, w)는 n번째 초음파 센서(110)의 가로 길이 및 세로 길이, n번째 초음파 센서(110) 및 결함(20) 사이의 거리의 함수이다. Vn(rn,w) 및 Cn(rn, a1, a2, w)의 w는 주파수 영역 신호임을 나타낸다.
도 5를 참조하면, 피검사물(10) 내의 결함(20)의 위치 좌표는 (Xref,Zref)이고, m번째 초음파 센서(110)의 위치 좌표는 (Xm, Zm)이므로, 상기 rm은 다음의 수학식 3으로 표현된다.
Figure pat00003
도 6을 참조하면, 상기 rn은 N개의 초음파 센서(110) 중에서 n번째 초음파 센서(110) 및 결함(20) 사이의 거리이며, n번째 초음파 센서(110)의 좌표를 (Xn, Zn)이라고 하면 하기 수학식 4로 표현된다.
Figure pat00004
제2 단계를 표현하는 수학식 2를 정리하면 다음과 같다. N개의 초음파 센서(110)가 배열된 어레이 트랜스듀서(100)의 n번째 초음파 센서(110)가 수신한 초음파 속도 Vn(rn,w)는, 상기 제1 단계에서 초음파 센서(110)가 방출한 평면 유사 파형 속도(quasi-plane wave velocity) V(rm,w)에 회절 계수 Cn(rn, a1, a2, w)를 곱한 항을 진폭으로 하고, P-파형(P-wave)의 파형수(wave number) k에 n번째 초음파 센서(110)로부터 결함(20)에 이르는 거리 rn 을 곱한 항을 위상으로 하는 주파수 영역 신호이다.
도 6 및 수학식 2를 참조하며 제2 단계를 더 간단히 정리하면, n번째 초음파 센서(110)가 결함(20)으로부터 2차로 수신한 초음파의 속도 Vn(rn,w)는, 상기 제1 단계에서 m번째 초음파 센서(110)가 결함(20)을 향하여 1차로 방사한 초음파의 속도 V(rm,w)와, n번째 초음파 센서(110)의 방향성을 반영하는 회절 계수 Cn(rn, a1, a2, w)에 의하여 결정되며, 어레이 트랜스듀서(100)나 피검사물(10)의 사전 정보 rn, a1, a2, w, k 등을 이미 반영하고 있다.
제3 단계에 대하여 설명하면 다음과 같다.
제3 단계에서는 복소 영역에서 상기 제2 신호와 180°의 위상차를 갖도록 시간 역전 처리된 제3 신호가 각각의 초음파 센서(110)로부터 피검사물(10)을 향하여 동시에 재방사된다.
도 7을 참조하면, N개의 초음파 센서(110)에 입수된 파형을 각 초음파 센서별 시간 지연량 차이를 근거로 해서 시간 역전 처리하고, N개의 초음파 센서(110)는 시간 역전 처리된 새로운 파형을 동시에 방사한다. 각 초음파 센서(110)에서 시간 역전 처리된 후 방사되는 새로운 신호들은 위상 동기되어 결함(20)에 도달하므로, 결함 위치에 정확히 포커싱된다.
수학식 1 및 수학식 2에서, 초음파 센서(110)의 시간 영역 신호(time domain signal)는 푸리에 변환에 의하여 주파수 영역 신호(frequency domain signal)로 변환되며, 수학식 1의 속도 V(rm,w) 및 수학식 2의 속도 Vn(rn,w)은 크기와 위상을 갖는 복소수이고, 복소 영역(complex domain)에서 계산된다. 수학식 1 및 수학식 2에서 속도 V(rm,w) 및 속도 Vn(rn,w)은 복소 함수 AeiB 꼴로 표시되었으며, AeiB= A(cos(B) + isin(B))이다.
도 4를 참조하면, 시간 역전 처리는 복소 영역에서 180°의 위상차를 갖도록 처리하는 페이스 컨쥬게이션(phase conjugation)에 해당한다. 따라서, 결함(20)의 좌표이자 초음파 빔 집속점인 (Xref,Zref)에 대한 시간 역전 처리는 N개의 초음파 센서(110)들에 입수된 속도 Vn(rn,w)의 공액 복소수를 이용한다. 이때, 상기 공액 복소수의 진폭을 시간 역전 계수(TR coefficient)로 정의한다. N개의 초음파 센서(110)들이 시간 동기된 초음파 빔을 함께 방사하기 위하여, 시간 역전 계수가 입력 변수로서 곱해진다.
N개의 초음파 센서(110)가 시간 역전 처리된 새로운 파형을 동시에 방사할 때, 어레이 트랜스듀서(100)의 전체 빔의 속도 Vtotal(w)은 각 초음파 센서별 속도를 중첩시킨 주파수 영역 신호이며, 하기 수학식 5로 표현된다.
Figure pat00005
여기서, Vn(rn,w)의 공액 복소수인 상기 V* n(rn, w)이 시간 역전 계수(TR coefficient)이다.
제3단계를 표현하는 수학식 5를 정리하면 다음과 같다. N개의 초음파 센서(110)가 시간 역전 처리된 파형을 동시에 방사할 때, 어레이 트랜스듀서(100)의 전체 빔 속도 Vtotal(w)은, 상기 제2 단계에서 n번째 초음파 센서(110)가 수신한 초음파 속도 Vn(rn,w)의 공액 복소수인 V* n(rn, w)에 회절 계수 Cm(rm, a1, a2, w)를 곱한 항을 진폭으로 하고, P-파형(P-wave)의 파형수(wave number) k에 m번째 초음파 센서(110)로부터 결함(20)에 이르는 거리 rm 을 곱한 항을 위상으로 하는 주파수 영역 신호이다.
도 7 및 수학식 5를 참조하며 제3 단계를 더 간단히 정리하면, N개의 초음파 센서(110)가 배열된 어레이 트랜스듀서(100)가 시간 역전 처리된 파형을 동시에 방사할 때, 어레이 트랜스듀서(100)의 전체 빔 속도 Vtotal(w)은, 상기 제2 단계에서 n번째 초음파 센서(110)가 수신한 초음파 속도 Vn(rn,w)의 공액 복소수인 V* n(rn, w)을 이용한 시간 역전 처리와, m번째 초음파 센서(110)의 방향성을 반영하는 회절 계수 Cm(rm, a1, a2, w)에 의하여 결정되고, 각 초음파 센서별 속도를 중첩시켜 결정된다. 전체 빔 속도 Vtotal(w)은 사전 정보 rn, rm, a1, a2, w, k 등을 이미 반영하고 있다.
제 4 단계에서는 결함(20)에서 재반사되어 각각의 초음파 센서(110)로 입수되는 제4 신호가 재수신된다. 제4 단계에서, 도 8을 참조하면, 결함(20)으로부터 반사되어 n번째 초음파 센서(110)에 입수된 신호(각 초음파 센서별 입수 신호)는 하기 수학식 6으로 표현된다.
Figure pat00006
제4단계를 표현하는 수학식 6을 정리하면 다음과 같다. 결함(20)으로부터 반사되어 각 초음파 센서(110)(n번째 초음파 센서(110))별로 입수되는 신호 Hn(rn, w)는, 상기 제3 단계에서 어레이 트랜스듀서(100)의 전체 빔 속도 Vtotal(w)에 회절 계수 C(rn, a1, a2, w)를 곱한 항을 진폭으로 하고, P-파형(P-wave)의 파형수(wave number) k에 n번째 초음파 센서(110)로부터 결함(20)에 이르는 거리 rn 을 곱한 항을 위상으로 하는 주파수 영역 신호이다.
도 8 및 수학식 6을 참조하며 제4 단계를 더 간단히 정리하면, 시간 역전 처리된 초음파가 결함(20)으로부터 반사되어 n번째 초음파 센서(110)에 입수되는 신호 Hn(rn, w)는, 상기 제3 단계에서 어레이 트랜스듀서(100)의 전체 빔 속도 Vtotal(w)과 n번째 초음파 센서(110)의 방향성을 반영하는 회절 계수 C(rn, a1, a2, w)에 의하여 결정된다. 신호 Hn(rn, w)는 사전 정보 rn, rm, a1, a2, w, k 등을 이미 반영하고 있다.
제 5 단계에서는 주파수 영역의 상기 제4 신호를 시간 영역 신호로 변환한 제5 신호로부터 결함(20)의 위치를 검출한다. 제5 단계에서, 푸리에 역변환(inverse fourier transform)을 하면 주파수 영역의 신호 Hn(rn, w)는 시간 영역의 신호 hn(rn, t)로 복원된다.
한편, 실제 검사시, 하기 수학식 7로 표현되는 힐버트 변환(Hilbert transform)을 사용하여, n번째 초음파 센서(110)에 입수되는 신호 Hn(rn, w)의 포락선(envelope)을 계산하면 후술하는 결함 영상의 획득이 더 간편해지는 장점이 있다.
Figure pat00007
제6 단계로, 결함 영상 추출을 위한 빔 성형법(beamforming)을 설명한다.
제 6 단계에서는 상기 제5 신호의 시간값에 따른 진폭값을 콘트라스트로 표현하는 결함 영상을 디스플레이하고, 상기 제5 신호의 시간값은 상기 결함 영상의 픽셀 좌표값에 대응되며, 상기 결함 영상에서 상기 콘트라스트가 주변보다 큰 픽셀 좌표값을 읽으면 상기 결함(20)의 위치가 검출된다.
빔 성형법은 도 5 내지 도 10에 도시된 좌표 평면의 특정 픽셀 (x,z)에 대한 명암 또는 색상의 콘트라스트(contrast) S(x, z)와, 어레이 트랜스듀서(100)에 배열된 N개의 모든 초음파 센서(110)에 입수된 신호의 진폭 hn 에 관한 상관 관계로부터, 초음파 빔의 분포나 결함 영상을 구성하는 방법이다.
즉, 주파수 영역 신호 Hn 을 푸리에 역변환하여 얻은 시간 영역 신호 hn 은 시간에 따른 초음파 센서(110) 신호의 진폭값이다. 수평 좌표축을 시간축으로 놓고 수직 좌표축을 초음파 센서(110)에 입수된 신호의 전압값으로 놓아 상기 hn 을 관찰하면, 상기 hn 은 시간에 따라 진폭이 변동되는 전압 파형으로 나타난다. 한편, 하기 수학식 9와 같이 거리를 속도로 나누면 시간이 되므로, 상기 hn 의 전압 파형에서 시간축은 위치 정보를 나타내며 진폭의 피크값은 빔이 반사되는 결함 위치에서 커진다. 이 진폭값의 크기를 영상의 콘트라스트로 표현하면 결함 영상을 얻을 수 있으며 콘트라스트가 소정값 이상으로 큰 픽셀 좌표가 결함 위치이다.
특정 픽셀 (x,z)에 대한 명암 또는 색상의 콘트라스트 S(x,z) 는 하기 수학식 8로 표현된다.
Figure pat00008
여기서, hn(tn)은 상기 제5 단계에서 구해진 것과 같이 어레이 트랜스듀서(100)의 n번째 초음파 센서(110)에 입수된 신호의 진폭을 의미하고, 상기 tn 은 n번째 초음파 센서(110)에서 방사되어 결함(20)에서 반사된 후 상기 n번째 초음파 센서(110)에 입수된 신호의 전파 시간(travel time)이다.
이때, 특정 픽셀 (x,z)에 대한 전파 시간 tn(x, z)는 하기 수학식 9로 표현된다.
Figure pat00009
여기서, 상기 c는 파형 속도이고, (x, z)는 도 5 내지 도 10에 도시된 좌표 평면 또는 결함 영상에서의 픽셀 좌표이며, (xn, zn)은 n번째 초음파 센서(110)의 위치 좌표이다.
전파 시간 tn 은 전파 거리를 파형 속도로 나눈 값이다. 초음파는 n번째 초음파 센서(110)의 위치 (xn, zn) 로부터 좌표 (x, z)에 이르는 거리를 왕복하므로 수학식 9와 같이 표현된다.
<시뮬레이션 결과>
이하 도 1 내지 도 20을 함께 참조하며 본 발명의 작용 및 효과를 가시화한 시뮬레이션 결과를 설명한다.
도 9 및 도 10에 각각 도시된 2개의 피검사물(10)에 대한 시뮬레이션 결과를 설명하면 다음과 같다. 피검사물(10)은 P-파형(P-wave)의 속도가 5900m/s 이고 S-파형(S-wave, shear wave의 속도가 3200m/s 이고 밀도가 7.9kg/㎥ 인 강철 블록이다.
도 9에 도시된 것은 평면 표면을 갖는 피검사물(10)이고, 도 10에 도시된 피검사물(10)은 진폭 ±2.5mm 및 주기 40mm의 사인파 형상 표면을 갖는다.
도 9에 도시된 것은 편평한 평면형 어레이 트랜스듀서(100)이고, 도 10에 도시된 어레이 트랜스듀서(100)는 형상 가변형 어레이 트랜스듀서(100)로서 피검사물(10)의 표면에 밀착된다.
도 9 및 도 10에서 결함(20) 3개의 좌표는 어레이 트랜스듀서(100)의 중심점을 기준으로 (-10,0,50), (0,0,40), (10,0,30)이다. 어레이 트랜스듀서(100)에 배열되는 초음파 센서(110)는 5 MHz 의 중심 주파수를 갖고, 등간격으로 64개 배치되며, 0.625mm 의 피치 간격(도 3의 Δu)을 갖는다. 어레이 트랜스듀서(100)의 전체 길이는 64 * 0.625 = 40mm 이다. 사각 형상 초음파 센서(110)의 가로 2a1 은 1.25mm이고, 세로 2a2는 10mm이다.
이와 같은 어레이 트랜스듀서(100)와 피검사물(10)에 대한 사전 정보는 도 15의 평면 조건인 경우에 비하여 도 19의 곡면 조건인 경우에도 빔 포커싱 정도와 결함 영상의 해상도가 양호하다는 것을 시뮬레이션하기 위한 백 데이터로 사용될 뿐이다.
실제 검사시에는 이러한 사전 정보들이 시간 역전 처리를 통하여 계산된 초음파 신호의 전파 시간(시간 지연량)에 이미 포함되어 있으므로, 상기 사전 정보를 전혀 몰라도 정확한 결함 영상을 얻을 수 있고, 획득된 결함 영상에서 결함 좌표를 읽으면 피검사물(10)의 실제 결함 좌표와 높은 정확도로 일치한다.
도 11을 참조하면, 시간 역전 처리를 하지 않았을 때, 평면 형상의 어레이 트랜스듀서(100)에 배열된 64개의 모든 초음파 센서(110)가 초음파를 동시에 방사한 경우에 초음파 빔의 분포 상태를 x-z좌표 평면에 대하여 표현한다. 도 12는 z 거리에 따른 진폭을 나타낸다. 도 13은 사인파 형상의 어레이 트랜스듀서(100)의 경우이고 도 14는 이때의 진폭을 나타낸다.
도 11 내지 도 14를 참조하면, 시간 역전 처리를 하지 않은 경우 평면 형상의 어레이 트랜스듀서(100)와 사인파 형상의 어레이 트랜스듀서(100)의 초음파 빔 분포가 확연히 구분되는 것을 알 수 있고, 빔 포커싱이 전혀 이루어지지 않고 있음을 알 수 있다. 도 13을 참조하면, 사인파 형상의 어레이 트랜스듀서(100)의 기하학적 형상으로 인하여 사인파의 오목 부분의 전방 방향으로 초음파 빔이 치우쳐 집중되는 경향을 볼 수 있다.
도 15 내지 도 20은 모두 시간 역전 처리를 한 경우에 대한 것이다.
도 15, 도 17, 도 19는 시간 역전 처리를 한 경우에 초음파 빔의 분포를 나타내며, 도 16, 도 18, 도 20은 시간 역전 처리를 한 경우에 결함 영상을 나타낸다.
도 15 및 도 16은 본 발명이 평면에 적용되는 경우의 시뮬레이션 결과이다. 평면 형상의 어레이 트랜스듀서(100)가 평면 표면의 피검사물(10)에 장착된 경우에 시간 역전 처리된 초음파 빔의 분포 및 결함 영상을 나타낸다. 이를 참조하면 3개의 결함 위치에 대응하여 3개의 포커싱 영역이 생긴다. 결함(20)의 위치가 어레이 트랜스듀서(100)의 중심점에 위치할수록 초점 강도가 증가되고 초점 크기는 감소되며 정확한 포커싱이 이루어진다. 어레이 트랜스듀서(100)의 중심점에 위치한 결함(20)은 신호 크기에 있어서 최대 응답성을 보이므로, 중심점에서 위치한 결함(20)에 대한 신호의 피크값은 다른 시뮬레이션 결과에서 빔 집속도를 판단하는 기준값으로 사용된다.
도 17 및 도 18은 본 발명과 비교하기 위한 시뮬레이션 결과이다. 사인파 형상의 어레이 트랜스듀서(100)가 평면 표면의 피검사물(10)에 적용되는 것으로 가정한 경우에 시간 역전 처리된 초음파 빔의 분포 및 결함 영상을 나타낸다. 도 17에 나타나듯이 초음파 빔은 결함 위치에 전혀 포커싱되지 않는다.
도 18을 참조하면, 포커싱 불량으로 인하여 결함(20) 개수인 3개를 초과하는 부가적인 빔 집속 영역이 발생한다.
도 19 및 도 20은 본 발명이 곡면에 적용되는 경우의 시뮬레이션 결과이다. 사인파 형상의 어레이 트랜스듀서(100)가 사인파 표면의 피검사물(10)에 밀착된 경우에, 시간 역전 처리된 초음파 빔의 분포 및 결함 영상을 나타낸다. 피검사물(10)의 표면 지오메트리가 곡면이고 어레이 트랜스듀서(100)도 사인파인 복잡한 검사 조건에 불구하고, 도 19 및 도 20의 결과는 평면 피검사물(10)에 평면 어레이 트랜스듀서(100)가 채용된 도 15 및 도 16의 결과와 잘 일치한다.
이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 특허청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.
10...피검사물 20...결함
100...어레이 트랜스듀서 110...초음파 센서
200...스캐닝 유니트 210...이동부
220...파지부 230...가압부
300...제어부

Claims (16)

  1. 피검사물에 밀착되도록 형상이 가변되며 복수의 초음파 센서가 배열된 어레이 트랜스듀서;
    상기 피검사물 또는 상기 어레이 트랜스듀서에 관한 사전 정보를 모르는 상태에서, 상기 피검사물에 대한 상기 초음파의 전파 시간을 토대로 상기 피검사물의 결함을 검출하는 제어부; 를 포함하는 자동 빔 집속 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사전 정보는,
    상기 피검사물의 표면 지오메트리, 상기 피검사물에서의 초음파 속도, 음압에 따른 초음파의 속도 변화, 상기 피검사물의 재료 특성, 상기 어레이 트랜스듀서에 배열된 상기 초음파 센서의 크기, 상기 어레이 트랜스듀서에 배열된 상기 초음파 센서의 배열 간격 중 적어도 하나를 포함하는 자동 빔 집속 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 어레이 트랜스듀서를 통하여 상기 피검사물의 결함 또는 상기 피검사물의 경계면에서 반사되어 돌아온 신호를 입수하고, 상기 입수된 신호를 시간 역전시켜 다시 방사하며, 상기 결함의 위치에 초음파 빔을 집속하는 자동 빔 집속 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 어레이 트랜스듀서를 상기 피검사물의 표면에 밀착시키고 검사 위치에 따라 상기 어레이 트랜스듀서를 이동시키는 스캐닝 유니트; 를 더 포함하고,
    상기 제어부는 상기 어레이 트랜스듀서에서 입출되는 신호의 시간 역전 처리 및 초음파 빔 집속을 자동 수행하거나 상기 스캐닝 유니트의 동작을 자동 제어하는 자동 빔 집속 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 어레이 트랜스듀서에 배열되는 상기 초음파 센서는 사각 평면 형상이며, 상기 사각 평면 형상을 갖는 상기 초음파 센서에서 방사되는 초음파의 속도는 평면파의 속도로 근사되는 자동 빔 집속 장치.
  6. N개의 초음파 센서가 배열된 형상 가변형 어레이 트랜스듀서가 피검사물의 평면 표면 또는 굴곡진 표면에 밀착되며,
    상기 N개의 초음파 센서 중 적어도 하나의 초음파 센서로부터 상기 피검사물을 향하여 제1 신호가 방사되고,
    상기 피검사물의 결함에서 반사되어 상기 각각의 초음파 센서로 입수되는 제2 신호가 수신되며,
    복소 영역에서 상기 제2 신호와 180°의 위상차를 갖도록 시간 역전 처리된 제3 신호가 상기 각각의 초음파 센서로부터 상기 피검사물을 향하여 동시에 재방사되고,
    상기 결함에서 재반사되어 상기 각각의 초음파 센서로 입수되는 제4 신호가 재수신되며,
    주파수 영역의 상기 제4 신호를 시간 영역 신호로 변환한 제5 신호로부터 상기 결함의 위치를 검출하는 자동 빔 집속 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제5 신호의 시간값에 따른 진폭값을 콘트라스트로 표현하는 결함 영상을 디스플레이하고,
    상기 제5 신호의 시간값은 상기 결함 영상의 픽셀 좌표값에 대응되며,
    상기 결함 영상에서 상기 콘트라스트가 주변보다 큰 픽셀 좌표값을 읽으면 상기 결함의 위치가 검출되는 자동 빔 집속 장치.
  8. N개의 초음파 센서가 배열된 형상 가변형 어레이 트랜스듀서를 피검사물의 평면 표면 또는 굴곡진 표면에 밀착시키고, 상기 N개의 초음파 센서 중 적어도 하나의 초음파 센서를 가진시켜 초음파를 상기 피검사물에 방출하는 제1 단계;
    상기 피검사물의 결함에서 반사되는 산란파를 상기 N개의 초음파 센서에서 수신하는 제2 단계;
    상기 N개의 초음파 센서에 입수된 파형을 각 초음파 센서별 시간 지연량 차이를 근거로 해서 시간 역전 처리하고, 상기 N개의 초음파 센서는 상기 시간 역전 처리된 새로운 파형을 동시에 방사하는 제3 단계;
    상기 피검사물의 결함 또는 경계면에서 반사되어 상기 각각의 초음파 센서별로 입수되는 신호를 획득하는 제4 단계;
    상기 제4 단계에서 획득된 주파수 영역 신호를 시간 영역 신호로 복원하는 제5 단계; 를 포함하고,
    상기 제5 단계에서 입수된 상기 시간 영역 신호로부터 상기 결함의 위치를 검출하는 비파괴 검사 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제5 단계에서 복원된 상기 시간 영역 신호의 진폭값을 콘트라스트로 표현하는 결함 영상을 디스플레이하고, 상기 시간 영역 신호의 시간값을 상기 결함 영상의 픽셀 좌표값에 대응시키며, 상기 결함 영상에서 상기 콘트라스트가 주변보다 큰 픽셀 좌표값을 읽어서 상기 결함의 위치를 검출하는 제6 단계; 를 더 포함하는 비파괴 검사 방법.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 어레이 트랜스듀서에 배열되는 각각의 초음파 센서는 사각 평면 형상이며, 상기 사각 평면 형상을 갖는 상기 초음파 센서에서 방사되는 초음파의 속도는 평면파의 속도로 근사되는 비파괴 검사 방법.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 제1 단계에서 m번째 초음파 센서로부터 상기 결함을 향하여 방사되는 초음파의 속도 V(rm,w)는,
    상기 m번째 초음파 센서의 출력 B(w) 및 회절 계수 C(rm, a1, a2, w)를 곱한 항을 진폭으로 하고, P-파형(P-wave)의 파형수(wave number) k에 m번째 초음파 센서로부터 상기 결함에 이르는 거리 rm 을 곱한 항을 위상으로 하는 주파수 영역 신호인 것을 특징으로 하는 비파괴 검사 방법.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제2 단계에서 n번째 초음파 센서가 수신한 초음파의 속도 Vn(rn,w)는,
    상기 제1 단계에서 상기 초음파 센서가 방사한 초음파 속도 V(rm,w)에 회절 계수 Cn(rn, a1, a2, w)를 곱한 항을 진폭으로 하고, P-파형(P-wave)의 파형수(wave number) k에 상기 n번째 초음파 센서로부터 상기 결함에 이르는 거리 rn 을 곱한 항을 위상으로 하는 주파수 영역 신호인 것을 특징으로 하는 비파괴 검사 방법.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 상기 N개의 초음파 센서가 상기 시간 역전 처리된 파형을 동시에 방사할 때 상기 어레이 트랜스듀서의 전체 빔 속도 Vtotal(w)은,
    상기 제2 단계에서 n번째 초음파 센서가 수신한 초음파의 속도 Vn(rn,w)의 공액 복소수인 V* n(rn, w)에 회절 계수 Cm(rm, a1, a2, w)를 곱한 항을 진폭으로 하고, P-파형(P-wave)의 파형수(wave number) k에 m번째 초음파 센서로부터 결함에 이르는 거리 rm 을 곱한 항을 위상으로 하는 주파수 영역 신호인 것을 특징으로 하는 비파괴 검사 방법.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 제4 단계에서 상기 결함으로부터 반사되어 n번째 초음파 센서로 입수되는 신호 Hn(rn, w)는,
    상기 제3 단계에서 상기 N개의 초음파 센서가 상기 시간 역전 처리된 파형을 동시에 방사할 때 상기 어레이 트랜스듀서의 전체 빔 속도 Vtotal(w)에 회절 계수 C(rn, a1, a2, w)를 곱한 항을 진폭으로 하고, P-파형(P-wave)의 파형수(wave number) k에 상기 n번째 초음파 센서로부터 결함에 이르는 거리 rn 을 곱한 항을 위상으로 하는 주파수 영역 신호인 것을 특징으로 하는 비파괴 검사 방법.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 제4 단계에서 상기 결함으로부터 반사되어 n번째 초음파 센서로 입수되는 신호 Hn(rn, w)는 상기 제5 단계에서 다음 수학식
    Figure pat00010

    으로 표현되는 힐버트 변환에 의하여 상기 시간 영역 신호로 복원되며, 여기서 계산된 포락선을 이용하여 결함 영상을 획득하는 비파괴 검사 방법.
  16. N개의 초음파 센서가 배열된 형상 가변형 어레이 트랜스듀서를 피검사물의 평면 표면 또는 굴곡진 표면에 밀착시키고,
    상기 피검사물의 결함에서 반사되어 상기 초음파 센서로 입수되는 주파수 영역 신호 Hn 을 푸리에 역변환하여 얻은 시간 영역 신호 hn 을 구하며,
    수평 좌표축을 시간값으로 놓고 수직 좌표축을 상기 초음파 센서에 입수된 신호의 진폭값으로 놓아 상기 hn 의 파형을 획득하고,
    상기 hn 의 파형에서 상기 시간값을 픽셀 좌표값으로 표현하고 상기 진폭값을 콘트라스트로 표현하는 결함 영상을 획득하며,
    상기 결함 영상에서 상기 콘트라스트가 주변보다 큰 픽셀 좌표값을 읽어 상기 결함의 위치를 검출하는 비파괴 검사 방법.
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